автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование методов прогноза метановыделения из разрабатываемого угольного пласта для условий шахт Донбасса

Государственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы

Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический

институт

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Владимир Васильевич

СОВЕНЕШСТГОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА !,£ТАЮШДЕШШ ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ДЛЯ УСЛОВИЙ ШАХТ ДОНБАССА

Специальность 05.26. 01 - Охрана труда и пожарная

безопасность

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени • кандидата технических наук

Тула - 1991

Работа выполнена в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Научный руководителе -

. Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор

Соколов Эдуард Михайлович, доктор технических наук, про^ссор

Суша Марк Борисович; кандидат технических наук Тиш,енко Николай Семенович. Производственное объединение "Краснодонуголь"

Защита диссертации состоится "27" июня 1991 г. в "" часов на заседании специализированного совета Л 063.47.01 ВАК СССР в Тульском политехническом институте по адресу: 300500, г. Тута, пр. ¿енидо, 02, уч. корпус 9, аул. 101.

С диссертацией шш ознакомиться в библиотеке Тульско политехнического института.

Автореферат разослан £

№ »

М 1991 Г.

Учоный секретарь специализированного совета канд. техн. наук, доцент

Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность топы. Количество аварий; обусловленных нарушением газового режима на метанообильных шахтах, остаётся на достаточно высоком уровне и составляет более 4 % от всех аварий в угольной промышленности. При этом дальнейшее повышение безопасности труда подземных работ предполагается осуществлять за счет автоматизации систем проЕет-ривания вахты на основе управления распределением воздуха между участками. В Донецком угольном бассейне дальнейшая добыча угля связана со значительным увеличением глубины разработки угольных пластов, опасных по газу и внезапным выброса!,г. В связи с этим в шахтные выработки поступает значительное количество метана, что приводит к возникновению взрывоопасных концентраций газа Газовая обстановка в выработках является весьма изменчивой и зависит от геологических и производственных- условий и в частности от рекпма работы неханизмов. Поэтому решение поставленной задачи в условиях постоянного роста газообилыюсти кахт возмозю лиеь при наличии достоверного прогноза газовой ситуации в выработках.

Однако, действующие нормативные документы не позволяет прогнозировать динамику кетановиделенкй, а следовательно и .определять потребное количество воздуха на характерных технологических интервалах. С другой стороны, нормативные методики не являются достаточно'точными и зачастую наблюдаются значн- " тельные отклонения прогнозируемого газовыделения от фактических данных. Наиболее весомым источником выделения на очистных и подготовительных участглх является угольный пласт, поэтому дальнейшее совершенствование методов прогноза газовыделения из разрабатываемого угольного пласта является актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с хоздо-

говорной темой кафедры АОТиОС "Разработать, методы оценки возможных объемов выделения метана в горные выработки и его извлечения средствами дегазации применительно к условиям шахт восточного к центрального районов Донбасса" (номер государственной регистрации 01860132199 ).

Цель работы - установление закономерностей динамики метановыдедения из разрабатываемого угольного пласта, учитывающих связь скорости газовыделения с режимами работы механизмов и технологическими параметрами очистных и подготовительных работ, для повышения достоверности прогноза метзно-выделения.

Идея' работы заключается б том, что повышение достоверности прогноза обеспечивается на основе моделирования динамики метановыделения из пласта с уче'том изменений физико-химических свойств угля при внешних технологических воздействиях.

Научные положения, разработанные л и ч н о с о и с к а т е л е м,. и их новизна

- установлены закономерности выделения метана из разрабатываемого угольного пласта и оклиого угля, отличающиеся тем, что учитывают влияние технологии добычи;

- обоснованы физические условия применимости линеаризованного уравнения фильтрации газа в угольном пласте и получены формулы для прогноза газовыделений в очистные и подготовительные выработки с поверхности обнажения пласта;

- разработана математическая модель газовыделения из отбитого угля и установлены закономерности для прогноза газовы-дзления.с учетом газодинамических и механических свойств угля, технических характеристик механизмов и принятой технологии добычи;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рско ы е и д а ц к й подтверждается:

- достаточным объёмом .экспериментальных; исследований;

- удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и шахтных наблюдений (относительное отклонение не более 15 7.).

Научное значение работы заключает-■ ся в том, что определены зависимости,связывающие технологические параметры оборудования, организацию работ и горно-геологические условия разработки с метановыделением с обнажённой поверхности разрабатываемого угольного пласта и отбитого уг-. ля, которые могут быть использованы для прогноза газообильности выработок угольных иахт, разрабатывающих высокогазоносные пласты.

Практическое значение работы заключается в разработке:

, - методики прогноза газовыделения из угольного пласта и пакета программ для его реализации, применение которой позволяет предупредить возникновение аварийкой ситуации;

- способа определения площади поперечного сечения горных выработок, позволяющем улучшить контроль за газовсздуггг'™ родимом в шахте.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Научные и практические результаты работы использованы при составлении "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт", утвержденного Шнуглепромом СССР и Госгортех-надзором СССР 21.01.86 Г. для опытно-промышленной проверки его в качестве 'нормативного документа, и опробованы па пахте "Краснокутская" НО. "Донбассантрацит".

Апробация работа Основные полозке нил диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского политехнического института (г.Тула, 1985- 1991 г. г.);

на научно-технических семинарах лабораторий рудничной вентиляции и дегазации ИГД им. А. А. Скочинского (г.Люберцы, 1886-1988 г. г.).

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ и получено авторское свидетельство на изобретение.

О б ь б и работы. Диссертационная работа состоит и; введения, пяти глав , заключения и содержит 139 страниц текста, в том числе 30 рисунков , 19 таблиц, список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАШЕ РАВОТЫ

Научные основы теории выделения рудничных газов, основоположниками которой являются А. А. Скочинский, А. Т. Айруни, Л. Е Шков, Г. Д. Лядин, А. И. Кравцов, ¡а И. Черницын, были про дол-дани и развиты в исследованиях К1Ф. Васючкова, А. М. Дмитриева, К А. Колмакова, Ф. С. Клебанова, С. К Кузнецова, А. А. Мясников а, Е Г. Матвиенко, Н. Б. Ножкина, А. 3. Петросяна, Л. А. Дучкова, И. М. Лечука, И. В. Сергеева, Э. М. Соколова, Ы К Суллы, Б. Г. Тарасова, Е ¡1 Устинова, К. 3. Ушакова, В. Е Ходота, А. С. Цырульнико-ва, С. А. Яруккка и др.

Анализ результатов этих исследований показал, что сущес твующие методы прогноза газовыделения из разрабатываемого угольного пласта не позволяют получить надёжный результат, та1 как основываются на физических моделях равновесной термодинамики и поэтому не учигьгеают время протекания процесса и его кинетические характеристики. В существующих математических моделях недостаточно полно учтено влияние технологических факторов на средний уровень метаковыделений и йтсутстпует • • оценка границ применения линеаризованных уравнений фильтрации. Наиболее достоверным и корректным является прогноз, учитывавший динамику газовыделения, но широкое применение его сдержи-

вается отсутствием решения некоторых фнльтрационно-диффузионных задач. Поэтому в работе сфоркулировани задачи исследования:

- разработать математическую модель газовццеления из разрабатываемого угольного пласта и отбитого угля в выработки очистного участка, учитывающую влияние технологических параметров добычи;

- обосновать физические условия применения линеаризованного уравнения фильтрации газа в угольном пласте и получить приближенные закономерности для прогноза газовиделенил в очистные и подготовительные выработки;

- исследовать динамику газовыделаний из разрабатываемого угольного пласта и определить факторы, на газообильность очистных и подготовительных участков пах? Донбасса;

- разработать пакет прикладных программ для инженерных расчетов >:ета:-!овыделеш[й из разрабатываемого угольного пласта и провести промышленную апробацию усовершенствованной методики прогноза газообилыгости выработок на вахтах Донбасса.

Для обеспечения достаточной точности при проведении пах-тных исследований был разработан способ определения площади поперечного сечения выработок,заключающийся б разбиении сечения на секторы переменного радиуса, который прошёл успешную апробацию в натурных условиях и позволил значительно повысить точность проводи),их газовоздуиных съёмок (разбаланс по воздуху и газу в целом по шахте не превышал 10 Z). На способ определения площади поперечного сечения горных выработок получено авторское свидетельство.

При исследовании динамики газовидолений из пласта были проведены газовоздушные съёккн на 0 очистных и 6 подготовительных участках шахт Донбасса.' Объём экспериментальных исследований позволил охватить различные горно-геологические условия, технологию добычи и типы применяем« машин и механизмов. Проведенные натурные исследования' и статистическая обработка их результатов позволили сделать вывод о том, что вн-

деление метана в выработки очистного участка следует рассматривать как нестационарный и неэргодический случайный процесс. Поэтому газовыделение представляется в виде суммы детерминированной составляющей и случайной величины. Детерминированная составляющая газодинамического процесса представляет собой периодическую функцию с переменными значениями алшлитуди и частоты . Периодичность определяется цикличностью геоыехани-ческнх и технологических воздействий и процессов, происходящих при ведении очистных работ,а конфигурация зависит от случайных сочетаний амплитуды и фазы различных элементарных цик/

ЛОВ.'

Выполненный спектральный анализ трендов, полученных методом скользящего среднего по данным газовых съёмок, выявил периоды технологических циклов, которые формируют характер газодинамического процесса. Это позволило обосновать время дискретизации и осреднения прогноза по составляющим газового баланса.

С учётом технологии очистных работ.газовыделение из разрабатываемого угольного пласта определяется процессами дегазации обнаженной поверхности плавта в подготовительных выработках, очистном забое, а также дегазации отбитого угля в процессе его транспортировки.

В качестве физической модели газовыделения с обнаженной поверхности пласта в работе рассматривается процесс нестационарного массопереноса газа в пористой сорбирующей среде. Для' линеаризации уравнения фильтрации использован метод И. А. Чар-ного, правомерность которой проверена вычислительным экспериментом. Сравнение результатов численного решения уравнения фильтрации газа и аналитического решения линеаризованного уравнения для условий характерных при разработке тонких и средней мощности угольных пластов Донбасса дало удовлетвори-1'ельную сходимость (отклонение не превышает 20 1). При атом границы применения линеаризации ограничиваются значением критерия Фурье равным 0,1.

Абсолютное газовыделение в подготовительный забой с об-пагенной поверхности пласта, согласно закона Дарси и с учётом технологии и темпов проведения выработки определяется по фор-

(1)

Х- с и(?Л-Р, X.]

^ЯУШГ

1'Де Д» газовцделение в подготовительную выработку; ¿£г скорость проведения выработки; ¿в- время проведения выработки; ¿V единичная функция; t - текущее. время; Рп- проектная длина выработки; к- проницаемость массива в зоне дегазации;

динамическая вязкость газа; Шп- мощность пласта; Р»,$> начальные давление и плотность газа в пласте; Р4,давление и плотность газа на поверхности обнажения; Л - термодинамический параметр;

- коэффициенты, учитывайте коллекторские свойства сорбирующей среды. На рис. 1 представлен график зависимости относительного газовыделения в подготовительную выработку Дд от безразмерного времени Т.

Ыетановыделение с подвижной обнажённой поверхности разрабатываемого угольного пласта в очистной забой определяется выражением

7 дг (г)

дГ

где ' ¿¡¡Г ' градиент относительного давления на подвижной №0 поверхности пласта.

•/л 8.

1.0

Ц?5

0,5

о

\ -------

/ ---- \ Ч- -

/

/ ¥ ... ..

№ &5 т 10 05

чГ

№5 £:е? 'С

Рис. 1. Зависимость относительного «.■»таиовыдо-

ления в подготовительную выработку от безразмерного времэин Т.

9

2.0 <5 10 &5

О

-/ о

1

V 'V

' N

\3Ч

4

Рис. 2. Зависимость относительного метано-выделения с подвижной поверхности

пласта Лз. от величины

- lilla рис. 2 представлен график зависимости относительного метановыделения с подвижной поверхности пласта 3,.».от времени для углей с различными кинетическими показателями сорбции. Характерно, что в начальный период времени (0-10 час) метано-выделение определяется фильтрационными характеристиками пласта и начальным давлением газа На втором этапе происходит повышение уровня выделения вследствие перехода процесса десорбции из внутридиффузионной во внешнедиффузионную область.

В дальнейшем процесс газовыделения стабилизируется. Это означает, что с некоторого момента времени устанавливается равномерное перемещение границы дегазации пласта, а метановы-деление определяется коллекторскими и сорбционными характеристиками утля и скоростью подвигания очистного забоя.

Для выполнения прогноза метановыделения с подвижной поверхности пласта в лаву целесообразно пользоваться средней величиной за время технологического цикла

/ 7df

JU. AfrYfoZ-fiM Т'lw¡ytQ d¿> (3)

где Т - длительность технологического цикла

Выделение метана из отбитого угля происходит в результате движения газа к поверхности, контактирующей с воздухом, и описывается уравнением диффузии. Начальные условия определяются предшествующей эволюцией обнаженного массива, а динамика развития процесса зависит от гранулометрического состава угля.

При построении физической модели принята типовая схема комбайновой выемки. Газоносность отбитого угля убывает вследствие выноса газа диффузионным потоком, при этом площадь газо-стдаицей поверхности dS единичной массы угля определяется в соответствии с распределением его гранулометрического состава

dS- fA„ m, d^exj? Ы„Г'] dídJ, <

ГД|

с d - размер частник угля;

- 12 -

Щ - показатель способности угля к измельчению;

- показатель степени измельчения угля, ; показатель приведённой степени измельчения угля,: для прогрессивных режимов резания^,- 0,015 - 0,020, для серийных комбайнов = 0,04 -0,10;

■у - плотность угля.

Тогда поток газа из массы отбитого угля с учётом размерностей составит:

dmaz

где Ю - коэффициент диффузии метана в угле; газоносность угля- в зоне Еыемки; Ха- остаточная газоносность угля.

Абсолютное метановыделенпг из отбитого угля в очистной яябой с учетом плаиограмш работ определяется выражением

Л,

*[¿ £ (Ur, >£)-S¿p»(¿Z+¿rJ¿r„t] W),

где ширина захвата комбайна;

- скорость подачи комбайна: '

1ГЯ- скорость транспортирования угля конвейером; ¿ - длина очистного ¡забоя; Для выполнения расчётов по- предложенной модели необходимо знать газоносность угля в приоаоойной зоне пласта Величина Х3 определяется выр.ачгчшем:

- xi=Xo-fí(U/».f / (j*Jt)dfz), (■}•]

о

где Х0- -природная газоносность угля.

- 13 -

На рис. о показан график зависимости относительного га-вовыделения из отбитого угля С7а*от безразмерного времени Т для различных режимов резания.

Рис. 3. Зависимость относительного метано-выделения из отбитого угля Ху. от безразмерного времени Т.

Из графика видно, что применение эффективных режущих инструментов и прогрессивных режимов резания не только повышает сортность угля, но и снижает уровень газовыделения в очистном забое.

На основании проведенных исследований разработана методика прогноза газовыделения из разрабатываемого угольного пласта Реализация методики осуществляется с помощью пакета прикладных программ на ПЭВМ. Результаты газовых съёмок, проведенных на шахтах ПО Донбаесантрацит, показали удовлетворительную сходимость с прогнозом метановыделения, полученном на основе предложенной методики. Относительная погрешность расчетов че превышвет 15 %. Основные результаты работы использованы при разработке "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт ",утвержденного Минуглепроиом'СССР и Гос-гортехнадзором СССР 21.01.86 г. для опытно-промышленной проверки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи совершенствования метода прогноза метановыделения' в угольных шахтах на основе установленных закономерностей изменения скорости газовыделения из разрабатываемого угольного пласта на очистных и подготовительных участках, учитывавших кинетику десорбции метана и технологические параметры процессов выемки угля и проведения горных выработок, что поБьппает безопасность горных работ по газовому фактору и имеет существенное значение для развития угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты работы заключается в еле дующем:

1. Определены закономерности газовыделения из разрабаты-Еавемого угольного пласта,- учитываете вид работ на очистном участке и их интенсивность.

2. Установлено, что иетановыделенде на очистных и подготовительных участках является нестационарным случайным процессом, который представляет суперпозицию распределенных во времени стационарных случайных процессов, тренд которого описывается детерминированными закономерностями, следующими из решений уравнений фильтрационно-диффузионного переноса.

3. Показано, что процессы метановыделений с достаточной для практических целей точностью описываются параболическими уравнениями фильтрации, чинеаризация которых осуществляется заменой линейной связи плотности газа с давлением на экспоненциальную зависимость. Интервалы применимости линеаризованных уравнений ограничиваются критическим значением критерия Фурье, равным 0,1 , при этом отклонения нэ -превышают 20 %.

4. Определено, что мэтаиовыделение из отбитого угля за-

висит от способности угля ¡с измельчению, параметров резания, а также скорости Подачи комбайна и скорости транспортирования угля.

5. На основе полученных закономерностей разработана методика прогноза газовыделения из разрабатываемого угольного пласта, отличающаяся тем, что в математических моделях учтена кинетика десорбции метана, скорость подвигания забоя, параметры процесса разрушения угля резанием. Сравнение результатов прогноза с данными длительных газовых съёмок свидетельствует об их удовлетворительной сходимости (отклонение не превышает 15 %).

6. Разработаны прикладные программы, позволяющие автоматизировать прогноз метановыделений из разрабатываемого угольного пласта с помощью персональной ЭВМ с использованием существующей базы данных для угольных месторождений Донецкого бассейна.

V. Разработан способ определения площади поперечного сечения горных выработок, обэспечявапгсий повышение точности га-овоздушных съёмок за счёт разбиения сечения на крутой« секторы переменного радиуса.

Промышленная апробация предло.тоикоЛ 1»~од1!Ки прогноза проведена на шахтах ПО "Докбассантршигг". Основные результаты исследований использованы при разработке "Руководства по проектированию вентиляции угольнш тахт", утверждённого Ии-нуглепромом СССГ и Госгортехнадзором СССР 23. 01. 86 г. для-опытно-промышленной проверки.

По материалам диссертации опубликовали следующие работы:

1. Качурин Н. К , Кузнецов Л. В., Бакунин В. И. , Гусев ИД. Прогноз метаиообильности очистных участков глубоких шахт восточного Донбасса и оценка допустимой нагрузки-на лаву. /Тул-ПИ. - Тула, 1985. - 27 с. - Деп. в ЩИЭИуголь ГК. 00. 85, N3406.

2. Бакунин Е. И., Кузнецов В. а Прогноз газовыделений из угольного пласта и выбор рациональной схокн вентиляции очист-

них участков // Проблемы охраны труда : Сб. ст. /Рубежное, 1886. - С. 287-288.

3. Качурин Н. М. , Бакунин- Е. И. , Кузнецов В. В. Особенности распределения метана в угольных пластах северной полосы мелкой складчатости Донбасса // Геология, поиски и разведка твёрдых горючих ископаемых, геологопромышенная оценка угольных месторождений : Сб. научн. тр.. /ТулПИ. - Тула, 1986. -

С. 93-96.

4. Качурин Н. Ы. , Кузнецов В. В. Динамика газовыделения из пород. /ТулПИ - Тула, 1986. - 14 с. - Деп. р. ЦННЭИуголь 05.06.86, N3739.

5. Кузнецов В. В. , Бакунин Е. И. , Авдеев О. ¡а , Еуринов А. В. Динамика газовыделений на очистных участках. /ТулШ1. -Тула, 1985. - 22 с. Деп. в ЩЮИуголь 13.02.87, И<Ш5.

6. Авдеев О. КХ , Кузнецов В. Е , Шуринов А. В. Статистические характеристики газодинамических процессов на очистных участках шахт восточного Донбасса. /ТулПИ. - Тула, 1987, -

16 с. Деп. в ЩШЭИуголь 11.09.87, N4263.

7. А. С. 1516742 СССР Ш:И 01Ш/26. Способ определения площади поперечного сечения горной выработки. /Качурин Н. М. , Кузнецов ЕВ., Авдеев 0.К1 , (СССР). - М43М886/25-2С; ¡Заявлено 11.11.87; Опубл. 23.10.89; Вмл. N3.). - 2 с.

Подписано к печати 22.05.91. формат буыаги 60xb4 I/I6. Бумага типогр. 16 2. Офсет.печ. Усл.печ.л.0,9. Уч.-изд.л.0,8. Тирак 100 экз. Заказ te 518. Бесплатно.

Издано в Тульской ордена Трудового Красного Знаиени политехническом институте, 1ула.ул.Болдина,151. Отпечатано на ротапринте в ТулПИ.